激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.03.044 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2003 激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 张建宇)杨久霞)吴迪平》马光亭2)冯伟2)王俊生2) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)菜芜钢铁公司中型型钢厂，莱芜271100 摘要从实验角度分析了半钢轧辊表面经过激光相变硬化处理后的性能改善情况，着重 讨论了改变工艺参数对激光淬火效果的影响.利用数值模拟的分析手段对轧辊在激光辐照 之下经历的热循环过程作了详细描述，说明了辊面激光淬火的原理，对光斑附近区域的温度 梯度分布作了分析，初步探讨了激光淬火裂纹形成的原因 关键词半钢轧辊：磨损；相变硬化；数值模拟；温度梯度 分类号TG156.33 目前激光表面改性技术在工业领域的应用 2辊面激光强化 主要集中在提高各种机械零件的耐磨性能上习 本文从现场U轧机水平辊上取下3组试样进行 H型钢的轧制原理是利用上下水平辊与两 了激光对比实验，以研究激光表面改性技术在轧 侧立辊形成的孔型将初轧坯轧制成型.尽管精轧 辊上的作用效果 温度可维持在900℃以上，金属塑性流变性较强， 但由于前三架万能轧机压下量很大，而且封闭孔 1轧辊试样原始状况 型使轧件在轧制过程中塑性变形有很大约束，增 热轧型钢轧辊的主要材质逐渐由铸钢向半 大了轧件与轧辊之间的磨损消耗.经过对轧辊的 钢过渡.适应这种形势，选取180 CrNiMo的半钢 磨损量测量，发现水平辊环的外圆工作面磨损轻 材质.其主要化学成分为（质量分数，%）：C,17: 微，而侧壁磨损非常显著.因此，轧辊辊环的侧壁 Si,0.6;Mm,0.9,0.026;S,0.02;Ni,0.83;Cr,1.9;Mo, 工作面是需要重点强化的部位. 0.37 轧辊的处理属于大面积强化.实验中采用了 轧辊采用离心复合铸造技术生产，外圈为高 10mm×1mm的矩形光斑，对提高加工效率是有 碳半钢，内环为石墨钢.经过切取金相试样分析， 利的.为了摸索激光对该材质的最佳作用效果， 发现其常规组织一般为贝氏体或贝氏体+珠光 按照正交实验法设计了实验进程，固定激光束形 体，也会含有少量马氏体和残余奥氏体，辊环外 状和尺寸不变，调整作用功率和扫描速度大小. 圆表面与侧壁表面的硬度在HRC38~42范围内 激光功率选用1-2.2kW,扫描速度的选择范围是 (图1).激光相变硬化的原理是利用作用光束的 0.3-1.2m/min.激光作用前，在试件的待作用表面 高能密度对工件进行急热急冷的无介质淬火，以 预涂一层黑涂料，以增大表面的激光吸收率. 提高其马氏体相对含量，达到表面硬化的目的. 由于表面改性的效果取决于单位时间、单位 面积上的能量输人和激光作用时间的长短，因此 401 要分别讨论激光功率幅值和光束移动速度对激 30 光淬火效果的影响， 2.1激光功率的影响 4 6 10 激光作用功率的值直接决定了工件表面的 测试点 能量密度，此值与工件表面的最高温升成正比关 图1轧辊试件原始硬度分布 系，并最终决定表面层的奥氏体化程度，在宏观 Fig.1 Original hardness distribution of the roll sample 性能上表现为淬硬层的深度和硬度值的差异. 收稿日期2002-0604张建宇男，28岁，博士研究生 取样轧辊经过多个轧钢循环和车削修复之

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 。 激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 张 建 宇 ” 杨 久 霞 ” 吴 迪 平 ‘ ’ 马 光 亭 ， 冯 伟 ” 王 俊 生 ” 北京科技大学机械工 程学 院 ， 北京 莱 芜钢铁公 司 中型 型 钢 厂 ， 莱 芜 摘 要 从实验 角度 分析 了半钢 轧 辊 表 面经 过 激光相 变硬化处 理后 的性能 改善情况 ， 着重 讨论 了改 变工 艺参数对激光淬火效果 的影 响 利用 数值模拟 的分析手段对 轧辊在 激光辐照 之下 经历 的热循环过程作 了详细 描述 ， 说 明了辊 面激光淬火 的原 理 ， 对光斑附近 区域 的温度 梯度 分布作 了分析 ， 初 步探讨 了激光淬火 裂 纹 形成 的原 因 关 键词 半钢 轧辊 磨损 相 变 硬化 数值模拟 温度 梯 度 分 类号 巧 目前 激光 表 面 改 性 技 术 在 工 业 领 域 的 应 用 主要 集 中在提 高各种 机械零件 的耐磨性 能上 【， ， 本 文从现 场 轧 机水 平 辊 上 取下 组 试样 进 行 了激光对 比实验 ， 以 研究激光表 面 改性 技 术 在 轧 辊 上 的作用 效果 轧辊试样原 始 状 况 热 轧 型 钢 轧 辊 的 主 要 材 质 逐 渐 由铸 钢 向半 钢过 渡 适应 这 种 形 势 ， 选 取 的半 钢 材 质 其主 要 化 学 成 分 为 质量 分数 ， ， ， ， 只 ， ， 几 ， 轧辊 采用 离心 复合铸造 技术 生 产 ， 外 圈 为 高 碳半钢 ， 内环 为石 墨 钢 经 过切 取金相试样分析 ， 发 现 其 常规 组 织 一 般 为 贝 氏体 或 贝 氏体 珠 光 体 ， 也会含 有少 量 马 氏体和 残余奥 氏体 辊 环 外 圆表 面 与 侧壁 表 面 的 硬 度 在 一 范 围 内 图 激光相 变硬化 的原 理是利 用 作 用 光束 的 高能密度对工件进行急热 急冷 的无介 质淬火 ， 以 提 高其 马 氏体相 对含 量 ， 达 到 表 面 硬 化 的 目的 叹 一 一 一 一 一 一 测 试点 图 轧辊试件 原 始硬 度 分 布 收稿 日期 一 刁 张建宇 男 ， 岁 ， 博 士研究生 辊面 激光 强 化 型 钢 的轧 制 原 理是 利 用 上 下 水 平辊 与 两 侧立 辊 形 成 的孔 型将初 轧坯 轧制成 型 尽 管精轧 温度 可维 持 在 ℃ 以上 ， 金 属 塑性 流 变性较 强 ， 但 由于前 三 架 万 能轧机压 下 量很 大 ， 而且 封闭孔 型使 轧件在 轧 制 过 程 中塑 性 变形 有很 大约束 ， 增 大 了轧件 与轧辊 之 间 的磨损 消耗 经 过对轧辊 的 磨损量 测 量 ， 发 现水平 辊环 的外 圆工 作 面磨损轻 微 ， 而侧壁 磨损 非 常显 著 因此 ， 轧辊辊 环 的侧壁 工 作 面 是需 要 重 点 强 化 的部 位 轧 辊 的处 理属 于 大 面积 强 化 实验 中采用 了 ‘ 的矩 形 光 斑 ， 对提 高加 工 效率是有 利 的 为 了摸 索激光 对该材 质 的最佳作用 效果 ， 按 照 正 交实验法设计 了实验进程 固定激光束形 状 和 尺 寸不 变 ， 调 整 作用 功 率和 扫描速度 大小 激 光 功 率选 用 一 ， 扫描速 度 的选 择 范 围是 一 耐 激光作 用 前 ， 在试件 的待作用 表 面 预 涂 一 层 黑 涂 料 ， 以 增 大表 面 的激光 吸 收率 由于表 面改性 的效果 取决 于单位 时 间 、 单位 面积上 的 能量输人和激光作用 时 间 的长 短 ， 因此 要 分别 讨论激光 功 率 幅值 和 光 束 移 动 速 度 对激 光 淬 火 效 果 的影 响 激 光 功 率 的 影 响 激 光 作 用 功 率 的值 直 接 决 定 了 工 件 表 面 的 能量 密度 ， 此值与工 件 表 面 的最 高温 升成 正 比关 系 ， 并最 终 决定 表 面层 的奥 氏体 化程度 ， 在宏 观 性 能上 表 现 为 淬硬 层 的深度 和 硬度 值 的差 异 取 样 轧 辊 经 过 多 个 轧 钢 循 环 和 车 削 修 复之 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．03．044

Vol.25 No.3 张建宇等：激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 ·259 后，原始热处理形成的表面工作层已使用待尽 60 试样原始硬度大体维持在HRC40左右（图1）. 50 激光处理后，硬度值明显增加，说明实现了表面 40 -■-0.4m/min 强化. 30 -●-0.5mmin 图2和图3的测量曲线分别对应的激光扫描 ▲0.3m/min 20 速度是0.5和1.1m/min.可见，在相同的扫描速度 3 4 下，增大激光输人功率值，可以改善表面淬火效 测试点 果，进而提高辊面的耐磨性能 图4扫描速度对淬火层硬度的影响 Fig.4 Effect of scanning speed on the hardness of the 60 hardening zone 50 40L 一■一1.5kW 3激光扫描过程中的热循环规律 -●-1.2kW 30 激光加工的特殊性决定了用实验手段获得 20 1 2 超快速加热冷却过程中的热循环规律，几乎是不 测试点 可能的.国内有研究人员利用红外热像仪等设备 图2低输入功率对淬火层硬度的影响 测量激光作用过程中的温度场，实际上也只能 Fig.2 Influence of low laser power on the hardness of the 捕获一种表面上的二维温度分布，真正意义上的 hardening zone 热循环机理尤其是其改性层内的温度变化规律 60 是测不到的.而冷却规律对相变结果的作用是决 50 定性的，前面的实验结果已说明了这一点. 0 近几年内计算机的迅猛发展为数值仿真技 -■-1.8kW 30 -●2.0kW 术的应用提供了发展的平台.有限差分和有限单 元法等数值计算手段也日趋完善，列这些条件都 20L 1 4 5 6 为探索激光作用时的热循环规律提供了保障. 测试点 激光扫描可视为一种快速移动的高能密度 图3高功率对淬火层硬度的影响 热源在工件表面作用的过程.数值模拟过程是基 Fig.3 Effect of high laser power on the hardness of the 于经典的三维热传导模型，同时考虑对流换热、 hardening zone 热辐射以及恒定热流密度等边界条件之后完 2.2扫描速度的影响 成的. 单纯讨论光束扫描速度对激光淬火效果的 理论计算的几何模型建立在本实验的工件 影响是没有任何意义.相同输人功率条件下，较 形状基础上，单元网格的划分根据激光作用区域 大的扫描速度意味着较短的光束作用时间和较 的变化而采取不同的疏密处理.同时由于涉及到 快的冷却速度，辊面获得较薄的淬硬层和较高硬 高温过程，所以必须考虑材料性能参数的非线性 度的倾向较大.但是，如果扫描速度太慢，表层奥 问题刃.图5中15显示的是深度分别为2.01.5， 氏体化深度增大的同时，也会导致冷却速度下 1.0,0.5mm和表面上的点随激光扫描进程的温度 降，马氏体转化量偏少，会影响到辊面强化效果. 变化规律.可见，越靠近表面，瞬时加热温度和热 实验过程中，有的试样扫描后硬度值没有明显变 循环速率越高.经计算，表面的加热和冷却速率 化，甚至有所软化，就是基于这种原因 均可达到10℃s这一数量级.同时在该计算条件 图4中的3条曲线是在扫描功率为1.2kW 下，淬硬层的深度在0.5mm以内. 的前提下，分别采用0.3,0.4,0.5m/min的扫描速 图6是扫描路径上不同位置处的温度随时间 度时不同硬度之间的对比结果.可见，0.4mmin 历程的变化规律.对比各条曲线说明，在激光扫 对应的硬度值高于0.5和0.3m/min的情况.前一 描过程中，每一点所经历的热循环过程大致统 种结果是由于比能量的增加造成的，而后一种情 一·虽然激光作用温度场是空间和时间坐标的双 况则说明，冷却速度对激光表面改性的效果起着 重函数，但实际上该函数单纯从时间角度考虑接 举足轻重的作用 近稳态分布，由于极高的能量密度和极快的作用

一 张建宇 等 激 光 强 化 半钢 轧辊 的实验 研 究 与 温 度 模 拟 · 后 ， 原 始热处 理形 成 的表 面工 作层 已 使用 待 尽 试 样 原 始硬 度 大 体维 持 在 左 右 图 激光 处 理 后 ， 硬 度值 明显 增 加 ， 说 明实 现 了表 面 强化 图 和 图 的测 量 曲线分 别对应 的激光 扫 描 速 度是 和 耐 可见 ， 在相 同的扫 描 速 度 下 ， 增 大激 光 输 人 功率值 ， 可 以 改 善表 面淬火 效 果 ， 进 而 提 高辊 面 的耐磨 性 能 月 一 一一一一 一 一 一 一 一 奋 峥︸、内︶月﹃、︸ 八 口国困 一 一一一 一 一 一 － 一 一－ 测 试点 图 扫 描 速 度 对 淬火 层 硬 度 的 影 响 · 一 一 一 一 任︸，‘，、 曰“ ︺国 测 试点 图 低输入 功率对 淬火 层 硬 度 的影 响 口 圣 一一 一一 － ‘ 一一 一 ‘︸︸ 一 一 一 一 测 试 点 图 离功 率 对 淬火 层 硬 度 的影 响 扫描 速 度 的 影 响 单 纯 讨论 光 束 扫 描 速 度 对 激 光 淬 火 效 果 的 影 响是 没 有 任何 意 义 相 同输 入功率条件 下 ， 较 大 的扫 描 速 度 意 味着 较 短 的光 束 作 用 时 间 和较 快 的冷却速度 ， 辊 面获得较 薄 的淬硬 层 和较 高硬 度 的倾 向较大 但是 ， 如果 扫描速度太慢 ， 表层 奥 氏体化 深 度 增 大 的 同时 ， 也 会 导 致 冷 却速 度 下 降 ， 马 氏体转化量偏 少 ， 会影 响到辊 面强化效 果 实验过程 中 ， 有 的试样 扫描后 硬度值没有 明显变 化 ， 甚 至有所 软化 ， 就 是基 于 这 种 原 因 图 中 的 条 曲线 是在 扫描 功率 为 的前提 下 ， 分 别采用 ， ， 的扫 描 速 度 时不 同硬度 之 间 的对 比结果 可 见 ， 对 应 的硬 度 值 高 于 和 的情 况 前 一 种结果是 由于 比能量 的增 加 造 成 的 ， 而后 一 种情 况 则说 明 ， 冷却 速 度对激 光表 面 改性 的效果起 着 举 足 轻重 的作用 激 光 扫 描 过 程 中的 热循 环 规 律 激 光 加 工 的特 殊 性 决 定 了用 实 验 手 段 获 得 超快 速 加 热 冷却 过 程 中的热循 环 规律 ， 几乎 是 不 可 能 的 国 内有 研究 人员 利 用 红 外热像 仪 等设备 测 量 激 光 作用 过 程 中的温度 场 「 ， 实 际上 也 只 能 捕 获一 种 表 面上 的二维 温度 分布 ， 真正 意义 上 的 热循 环 机 理 尤 其 是 其 改性 层 内的 温 度 变 化 规 律 是测 不 到 的 而冷却规律对相 变 结果 的作用 是决 定 性 的 ， 前 面 的实验结果 已 说 明 了这 一 点 近 几 年 内计 算 机 的迅 猛 发 展 为 数 值 仿 真 技 术 的应 用 提供 了发 展 的平 台 有 限差 分 和 有 限单 元法 等数值计算手 段 也 日趋 完 善卜， 这 些 条件都 为探 索激 光 作用 时 的热循环 规 律 提 供 了保 障 激 光 扫 描 可 视 为 一 种 快 速 移 动 的 高能 密 度 热 源在 工件 表 面作用 的过程 数值模拟 过程是基 于 经 典 的三 维 热传 导模 型 ， 同时 考 虑 对 流换 热 、 热 辐 射 以 及 恒 定 热 流 密 度 等 边 界 条 件 之 后 完 成 的 理 论 计 算 的几 何 模 型 建 立 在 本 实 验 的工 件 形 状基础 上 ， 单元 网格 的划 分根 据激 光作用 区 域 的变化 而采取不 同的疏 密 处 理 同时 由于涉及 到 高温过程 ， 所 以 必须考 虑 材料性 能参 数 的非线性 问题 师， 图 中 一 显 示 的是 深度 分别 为 ， ， ， 和表 面上 的点 随激光 扫描 进 程 的温度 变化规律 可 见 ， 越 靠近表 面 ， 瞬 时加热 温度 和热 循 环 速 率越 高 经计算 ， 表 面 的加 热 和 冷 却速 率 均可 达 到 ℃ 这 一 数量 级 同时在该计算条件 下 ， 淬硬层 的深度 在 以 内 图 是 扫描路径 上 不 同位置处 的温度 随时 间 历 程 的变化规 律 对 比各 条 曲线 说 明 ， 在激 光 扫 描 过 程 中 ， 每一 点 所 经 历 的热 循 环 过 程 大 致 统 一 虽 然 激光作用 温 度场是 空 间和 时 间坐标 的双 重 函数 ， 但实 际上该 函 数单纯从时 间角度考 虑 接 近稳 态 分 布 由于极 高 的能量 密 度 和极 快 的作用

·260· 北京科技大学 学 报 2003年第3期 (a)垂直扫描方向 一■- 3:01) 0 2 4 6 S (b)光束前进方向 00.20.40.60.81.0 1.2 tis 0) 2 图5激光扫描过程中不同深度处的热循环规律 常 Fig.5 Thermal circular principle in different depths dur- ing laser quenching 烟 0 1 2 16 12 (c)扫描带内 12 2 4 赵 0 4 6 8 10 //mm 0.00.20.40.60.81.0 1.2 图7光斑附近区域的温度梯度分布 t/s Fig.7 Distribution of thermal gradient in the area near the 图6扫描方向上不同位置处的热循环曲线 laser spot Fig.6 Thermal circular curves at different locations in the 14 scanning direction 12 过程，激光扫描时在光束附近将产生极高的温度 梯度. :0) 图7(a)是光斑外部垂直扫描方向上的温度梯 度分布状况.可见，在光斑两侧1mm范围内存在 极大温度梯度，而且它自身的衰减变化速率也非 00.20.40.60.81.01.2 常快，该分布规律的获得为计算表面应力场，进 tis 而分析裂纹产生根源提供了依据， 图8光束内部不同位置处的热循环曲线 Fig.8 Thermal circular curves at different locations in the 图7(b),(©)是沿扫描方向的温度梯度分布状 laser spot 况.其中前者代表前进方向，后者代表扫描带内 的分布.可见，激光扫描方向上的温度梯度远小 4轧辊激光强化的对比实验 于光束两侧垂直方向上的数值，扫描带内由于激 为验证激光强化技术对提高半钢轧辊耐磨 光作用的结果，向后的温度梯度值比前进方向要 性的效果，现场利用3kWCO激光器对生产H250 小很多 mm×125mm规格轧材的一对水平辊做了激光扫 图8中】代表扫描带中束斑中心点位置在-一 描实验，并选择另外一对同规格、同材质(180Cr 次热循环中的温度变化规律，2则代表光束边缘 NMo)的轧辊作了对比分析.两对实验辊先后上 点.由图可见，光束中心无论在加热强度还是冷 线轧钢，激光试验辊最终轧制量为2060t,对比辊 却速度方面都要高于边缘，因而光斑中心点所对 轧钢2488t,下线后辊面质量检测发现，经激光处 应的淬硬层深度必大于其他位置，对于能量分布 理后的辊面能有效抑制粘钢现象，同时对四支轧 均匀的光斑，淬硬层断面形状必定以高次曲线形 辊表面磨损情况也都进行了测量，对比效果如 式存在，即显微分析中常见的“月牙形”. 图9所示

年 第 期 一 厂 一 落 一 上 ︵ 一一︶侧珍尸明一李 图 激 光 扫 描 过 程 中不 同深 度 处 的热循环规律 啥 免 ， 一 描带内 一一 一 一一 一一 一一 一 一 一 一 ︵ 一日 · 七︶侧珍划蛆沪一、 一 该 挤 欲 试六 一 ， 一 ’ 一 一 ， 斗 勺 今 万气 一 一 尹气 犷签了袄了 丁八权 一 ▲一 一 沪气 孟 丫 发 飞‘ 、 、 一， 一 “ 么荡辫 一 一 一闷一 七︶︵尸、一 图 ‘ 扫 描方 向上不 同位 里处 的热循 环 曲线 图 光 斑 附 近 区 域 的温度梯 度 分 布 过程 ︵七︶尸勺一 ， 激光扫描 时在光束 附近将产 生 极 高 的温度 梯度 图 是光斑外 部垂直 扫描方 向上 的温度梯 度 分布状况 可 见 ， 在 光斑两 侧 范 围 内存在 极 大温度 梯 度 ， 而且 它 自身 的衰减 变化速 率也非 常快 ， 该分布规律 的获 得 为计算 表 面应 力 场 ， 进 而分析裂 纹 产 生 根 源 提供 了依据 图 ， 是沿 扫描 方 向的温度 梯度 分 布状 况 其 中前 者代 表前进 方 向 ， 后 者 代 表 扫 描 带 内 的分布 可 见 ， 激 光扫 描 方 向上 的温 度 梯 度 远 小 于光束两 侧垂直方 向上 的数值 ， 扫描带 内 由于激 光作用 的结果 ， 向后 的温度梯 度值 比前进 方 向要 小 很 多 图 中 代 表 扫描带 中束 斑 中心 点 位 置 在 一 次热循 环 中的温 度 变 化 规 律 ， 则 代表光 束边 缘 点 由图可 见 ， 光 束 中心 无论 在 加 热 强 度 还 是 冷 却速度方 面都要 高 于边 缘 ， 因而光斑 中心 点所对 应 的淬硬层深度 必大于 其他位 置 ， 对 于 能量 分 布 均匀 的光斑 ， 淬硬层 断 面形 状必 定 以 高次 曲线 形 式存在 ， 即显 微分析 中常见 的 “ 月 牙 形 ” ，生 少杖 图 光 束 内部 不 同位 里 处 的热循环 曲线 免 轧辊激 光 强化 的对 比 实 验 为 验 证 激 光 强 化 技 术 对 提 高半 钢 轧 辊 耐 磨 性 的效果 ， 现场利 用 激光器对生 产 ‘ 规格 轧 材 的一 对 水 平 辊 做 了激光 扫 描 实 验 ， 并选 择 另 外一 对 同规 格 、 同材 质 的轧辊作 了对 比分析 两 对 实 验 辊 先后 上 线 轧钢 ， 激光试验辊 最终 轧制 量 为 ， 对 比辊 轧钢 下 线 后 辊 面质 量检测 发现 ， 经激光处 理后 的辊 面能有 效抑 制 粘 钢 现象 ， 同时对 四 支轧 辊 表 面 磨 损 情 况 也 都进 行 了测 量 ， 对 比效 果 如 图 所示

Vol.25 No.3 张建宇等：激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 ·261· 1.0 网☑激光实验辊 直扫描方向皆如此)：而且，从移动空间坐标的角 图对比实验辊 度来看，扫描过程中的激光温度场接近稳态. 0.8 (3)在垂直扫描方向的光斑两侧，存在一个变 0.6 化率极大的高温度梯度区，此区域的范围虽然很 0.4 小，但它对激光扫描造成的应力场和最后的残余 0.2 应力分布都有重要影响，同时也是造成淬火裂纹 的一个根源.而且，其对搭接扫描时的参数设置 0.0 2 3 4 5 也将起一定作用 辊号 参考文献 图9实验轧辊最大磨损量对比 Fig.9 Comparison of the maximum wear values of experi- 1 Liu Qingbin,Liu Hong.Experimental study of the laser mental rolls quenching of 40CrNiMoA steel [J].J Mate Proc Technol, 1999,88:77 图中的横坐标1和2分别代表U2上锟wS和 2 de Damborenea Juan.Surface modification of metals by DS侧，3和4代表U2下辊WS和DS侧，5代表U3 high power lasers[J].Surf Coat Technol,1998,100~101: 上辊.经过相近的过钢量后，U2辊面的最大磨损 377 位置出现在下辊的工作侧，为0.37mm:而对比辊 3朱祖昌，李培耀.钢激光热处理的数值模拟和表面温 的最大磨损为1.06mm,同样出现在下辊T.作侧. 度场的测定U.金属热处理学报，1996,17（增刊）： 109 可见，通过激光表面强化技术可以使这种半钢轧 4马天池，陈概.金属材料激光相变硬化的三维数值 辊的磨损大大下降 模拟[J小.中国激光.1996,23(12)：1126 5结论 5魏在福，查洪逵.激光加热温度场物理分析[.光学 学报，1994,14(4)：355 ()对于高碳半钢材质的轧辊，应用高能激 6管一弘，陈铁力，激光淬火温度场及材料性能的数 光进行强化是可行的.由于轧辊的待作用表面较 值模拟[J】.中国激光，1999,26(3)：263 大，可以采用扫描效率较高的矩形光斑.实验表 7 Garnov S V,Kanov V I.Experimental study of tempera- 明，激光输入功率和扫描速度都直接影响到处理 ture dependence of reflectivity and heat capacity of steels 结果，而且相互之间存在一个优化配置问题 and alloys at continuous wave Nd:YAG laser heating [J]. SPIE,1997.3093:160 (2)数值模拟的结果表明：激光作用的影响区 8林成富，姚玉环.W18Cr4V钢激光表面淬火工艺参数 域存在一个很小范周之内（无论深度方向还是垂 的选择p].佳木斯工学院学报，1997,15(2)：127 Experimental Study and Temperature Simulation of the Laser Hardening Procedure on the Semi-steel Roll ZHANG Jianyu".YANG Jiuxia",WU Dingping".MA Guangting.FENG Wep,WANG Junsheng? 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Medium Section Mill,Laiwu Iron&Steel Company,Laiwu 271100.China ABSTRACT The property improvement of the semi-steel roll surface after laser quenching was investigated ex- perimentally,and the effect of technological parameters on laser quenching was analyzed.The thermal circulaing procedure of the surface under the laser beam was elaborated by numerical simulation methods and the principle of laser quenching on the surface is explained consequently.The distribution of thermal gradient near the laser spot was obtained,and the reason for crack formation during laser beam scanning is discussed. KEY WORDS semi-steel roll:laser;transformation hardening:numerical simulation

张建宇等 激 光强 化 半钢 轧辊 的实验 研 究与温 度模拟 · 矍 鬓 羹 ‘ 任盈】激光实验辊 区圣 对 比实验辊 膺潺 直 扫描 方 向皆如此 而且 ， 从移 动 空 间坐标 的角 度来 看 ， 扫 描过 程 中的激 光 温 度 场 接 近 稳 态 在 垂直 扫描方 向的光斑两侧 ， 存在 一个变 化率极 大 的高温度 梯度 区 ， 此 区 域 的范 围虽 然很 小 ， 但它对 激 光扫描造 成 的应 力 场 和最后 的残余 应 力 分布都有 重要 影 响 ， 同时也 是 造 成 淬火 裂纹 的一 个 根 源 而且 ， 其 对 搭 接 扫描 时 的参 数设 置 也 将起 一 定 作 用 暇翻写叫日 辊 号 图 实 验轧辊 最大磨 损 对 比 · 图 中的横 坐 标 和 分别 代 表 上 辊 和 侧 ， 和 代 表 下 辊 和 侧 ， 代 表 上 辊 经 过 相 近 的过 钢 量 后 ， 辊 面 的最 大磨损 位置 出现 在 下辊 的 工 作侧 ， 为 而对 比辊 的最 大磨 损 为 ， 同样 出现 在 下辊 工 作侧 可见 ， 通 过激 光 表 面强 化技 术 可 以使这 种 半钢 轧 辊 的磨 损 大 大下 降 结 论 对 于 高碳 半 钢材 质 的轧 辊 ， 应 用 高能激 光进行 强 化是 可行 的 由于轧辊 的待作用 表 面较 大 ， 可 以 采 用 扫 描效 率较 高的矩 形 光 斑 实验 表 明 ， 激光输人 功 率 和 扫 描 速度 都直接 影 响到处 理 结 果 ， 而 且相 互 之 间存 在 一 个 优 化 配 置 问题 数值模拟 的结 果 表 明 激 光作用 的影 响 区 域 存在 一个很小 范 围之 内 无论深度 方 向还是垂 参 考 文 献 ， ， ， 【 」 ， ， 一 朱祖 昌 ， 李培耀 钢 激光热处 理 的数值模拟 和 表 面 温 度 场 的测 定 金 属 热处 理 学 报 ， ， 增 刊 马 天 池 ， 陈概 金 属 材料激光相变硬化 的 三 维 数值 模拟 中国激光 ， ， 魏在 福 ， 查 洪透 激 光加 热温 度 场 物理 分析 光 学 学报 ， ， 管一 弘 ， 陈铁力 激光 淬火 温 度场及 材料性 能 的数 值模 拟 中国 激光 ， ， ， 、伙 ， ， 林成 富 ，姚 玉 环 钢激光 表 面 淬火工 艺参 数 的选 择 【 佳木 斯 工 学 院学 报 ， ， 一 凡祖刀 ， 气 砰 儿岁， ，’ ， 脱」 刀 扩气尸 肠， 洲刃 心 ， ， 罗 ， ， ， ， ， 一 ， ， 一